穆泉承

（中國建筑技術(shù)集團有限公司，北京 100013）

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化的高速發(fā)展，能源短缺問題成為制約人類社會發(fā)展的首要因素，在發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾日益加劇的前提下，我國提出了可持續(xù)發(fā)展政策，在發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，進行節(jié)能減排，降低污染，為后代的發(fā)展提供可持續(xù)的動力。在此理論的指導下，智慧建筑應(yīng)運而生。智慧建筑是一種通過現(xiàn)代電腦技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，為住戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的建筑形式[1]。現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)在建筑中應(yīng)用的比例不斷增加，成為建筑功能的核心。在智能建筑中，如何實現(xiàn)照明自動化一直都是建筑領(lǐng)域研究的重點問題。

在以往的研究中，部分專家學者提出了智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)在一定程度上可對建筑中的照明系統(tǒng)進行控制，但部分條件下其控制效果并不滿足當前對照明系統(tǒng)的管理要求[2]。針對此問題，在本次研究中將人工智能技術(shù)中的部分方法引入到系統(tǒng)的軟件模塊中，對系統(tǒng)的使用性能展開提升，并對其應(yīng)用效果加以分析，力求在當前系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，得到管理能力更佳的控制系統(tǒng)。降低智慧建筑整體能耗，推動此類建筑控制技術(shù)的發(fā)展。

1 基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次研究為保證人工智能技術(shù)可與軟件模塊有機融合且正常運行，對智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)的硬件部分展開優(yōu)化設(shè)計，為軟件的升級優(yōu)化提供平臺。在進行多輪分析后，將優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件框架設(shè)定為圖1所示內(nèi)容。

對圖1進行分析可以看出，本次研究中在原有系統(tǒng)硬件框架的基礎(chǔ)上增設(shè)了無線通信網(wǎng)絡(luò)接口，并根據(jù)此接口對中央控制器進行了完善，從整體的角度提升了系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。為了對此系統(tǒng)硬件進行全面分析與設(shè)定，將優(yōu)化內(nèi)容具體顯示如下。

1.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)接口優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)自動化控制要求，將此系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)定為3個部分，MCU模塊、RF射頻模塊以及開發(fā)板外圍。對于本次系統(tǒng)而言，在網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)計中還需考慮到下述因素：（1）由于此系統(tǒng)多為分布式系統(tǒng)，因此網(wǎng)絡(luò)接口需要體積較小，且能耗較低；（2）為便于系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，在選擇網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片時，需要保證芯片的經(jīng)濟性。

根據(jù)上述兩部分內(nèi)容，此次研究中將無線通信網(wǎng)絡(luò)接口的控制芯片型號設(shè)定為DM9000AEP，此芯片為單芯片形式。為保證此芯片的應(yīng)用性能，將此芯片作為內(nèi)核，設(shè)定其外部電路，具體組成部分如下所示：（1）AES安全協(xié)處理器1個；（2）UART 4個；（3）通用定時器4個；（4）IEEE 802.15.4 MAC定時器2個；（5）8通道12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器4個。

按照上述設(shè)定，對無線通信網(wǎng)絡(luò)接口展開設(shè)定，并將其與原有的網(wǎng)絡(luò)接口進行替換，應(yīng)用到系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中。

1.2 中央控制器優(yōu)化設(shè)計

在本研究中，中央處理器除了需要滿足基礎(chǔ)功能外，需要解決信號處理速度與系統(tǒng)能耗消耗之間的問題。根據(jù)此設(shè)計要求，對大量的嵌入式單片機性能進行分析后，選擇STM32F103RBT6作為文中系統(tǒng)的核心控制器。為了能夠順利的對系統(tǒng)軟件程序進行編寫，對中央控制器開發(fā)板組成結(jié)構(gòu)展開設(shè)計，具體組成部分如下所示：（1）信號傳感器2個；（2）能耗監(jiān)測傳感器4個；（3）電源模塊1個；（4）數(shù)據(jù)存儲器1個；（5）時鐘模塊1個。

將上述設(shè)定內(nèi)容應(yīng)用到中央控制器的開發(fā)板中。與此同時，根據(jù)系統(tǒng)中其他硬件的供能要求，將電源電路劃分為兩路，其一是由電源管理芯片管理TNY254P的支路1，將直流電220 V轉(zhuǎn)化為5 V；其二是將5 V直流電通過穩(wěn)壓處理，得到3.5 V直流電的支路2 。使用此兩部分支路，實現(xiàn)系統(tǒng)的供能。

2 基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

完成系統(tǒng)硬件設(shè)計后，使用人工智能技術(shù)中的雙模糊控制器對智慧建筑照明功能展開控制。根據(jù)當前照明系統(tǒng)的控制要求，在此控制器使用前，根據(jù)照明控制要求，設(shè)定控制規(guī)則庫。

在控制器的使用過程中，為保證控制輸出量的可靠性通過模糊推理機將控制輸入量清晰化處理，根據(jù)各個輸入值隸屬函數(shù)曲線與X軸所構(gòu)成的面積重心作為控制器的最終輸出值[3,4]。具體計算過程如下：

式中，b表示控制器輸入值；αn(·)表示輸出隸屬度函數(shù)；d表示輸入值隸屬函數(shù)曲線與X軸所構(gòu)成的面積重心到Y(jié)軸的距離。使用此公式得到控制器的輸出量，使用此輸出量對建筑的照明系統(tǒng)展開控制。得到控制量后，通過無線通信技術(shù)將控制信號由中央控制器傳輸?shù)礁髡彰飨到y(tǒng)的控制節(jié)點，利用Modbus協(xié)議[5]進行數(shù)據(jù)解析，從而對建筑內(nèi)每一個燈具進行控制。在控制過程中設(shè)定激活函數(shù)，以此控制照明系統(tǒng)的開關(guān)，解決照明控制效果不佳的問題。對上文中設(shè)定系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)軟件進行整合，將其有序架設(shè)到當期系統(tǒng)中。至此，基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)設(shè)計完成。

3 系統(tǒng)測試分析

在本次研究中提出了一種基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)，為證實此系統(tǒng)可對當前系統(tǒng)應(yīng)用問題進行完善與優(yōu)化，構(gòu)建系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)對此系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能進行分析。

3.1 系統(tǒng)測試方案

本次系統(tǒng)測試默認系統(tǒng)硬件連接良好且系統(tǒng)整體功能運行平穩(wěn)，僅對系統(tǒng)基礎(chǔ)性能展開測試分析。選擇城市中某15層建筑作為測試對象，此建筑每層有3個走廊燈，每個走廊燈采用樓層－燈序號形式進行排序，假設(shè)需要控制8層的第2個走廊燈，則可表示為D8-2。在系統(tǒng)測試前，設(shè)定智慧建筑的照明控制要求，并將其整合為測試案例的方式，將其導入系統(tǒng)中，使用文中系統(tǒng)完成照明控制，分析文中系統(tǒng)的控制效果。具體測試案例內(nèi)容如表1所示。

將表1中指令作為文中系統(tǒng)的輸出指令，此指令驗證文中系統(tǒng)的照明控制效果。由于本次系統(tǒng)測試操作過程較為復雜，為降低系統(tǒng)測試操作難度，采用仿真測試的方式，完成整體研究過程。同時，使用當前系統(tǒng)與文中系統(tǒng)進行對比分析。在測試完成后，對系統(tǒng)輸出指令的誤差值進行統(tǒng)計，以便于后續(xù)分析過程的實現(xiàn)。

表1 系統(tǒng)性能測試案例

3.2 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

按照上文中預設(shè)的系統(tǒng)測試方法，統(tǒng)計文中系統(tǒng)所輸出控制指令，并將其作為系統(tǒng)測試結(jié)果進行分析，具體結(jié)果如表2所示。

對表2中數(shù)據(jù)進行分析可以看出，文中系統(tǒng)輸出的控制指令與系統(tǒng)性能測試案例中輸入的控制指令大致相同，并沒有出現(xiàn)大幅度的變化。表3中數(shù)據(jù)證實了當前系統(tǒng)輸出控制指令可靠性較差的問題，大部分的測試組中均出現(xiàn)異常指令。為了更好地對其進行分析，計算了每個測試組實際輸出指令與輸入控制指令的誤差值，具體結(jié)果如下：KZZL-02為0.0%；KZZL-03為 0.0%；KZZL-04為 0.0%；KZZL-05為20.0%。對KZZL-04的誤差情況展開分析可以看出，雖然此兩組出現(xiàn)了控制誤差，但指令中的樓層信息并未出現(xiàn)問題，只是走廊燈的序號出現(xiàn)問題，說明文中系統(tǒng)輸出的控制指令可靠性較高。整合上述分析結(jié)果可以確定，本次研究中提出的系統(tǒng)使用控制性能得到提升。

表2 文中系統(tǒng)輸出控制指令

表3 當前系統(tǒng)輸出控制指令

4 結(jié) 論

針對當前建筑照明控制問題，提出一種基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)測試證實了此系統(tǒng)可有效提升系統(tǒng)的控制能力，降低錯誤指令的輸出比例。但由于時間限制，此次系統(tǒng)測試用例較少，在日后的研究中還需增加系統(tǒng)測試用例數(shù)量，確定文中系統(tǒng)可進行推廣應(yīng)用，以此為智能建筑提供效果更好的照明控制系統(tǒng)。